(57)【要約】【課題】  インダクタンスが小さくでき、サージ電圧が小さくかつ小型化が可能なパワー半導体装置を提供する。【解決手段】  パワー半導体装置が、冷却面を備えた水冷ブロックと、冷却面上に配置され、パワー半導体素子を含む封止樹脂と、封止樹脂の第１側面から突出した主端子と、第１側面に対して略平行な第２側面から突出した制御端子とを備えたパワーモジュールと、パワーモジュールを挟んで配置された１対の主回路基板と制御端子であって、主端子に接続された主回路基板と制御端子に接続された制御基板とを含む。主端子は、冷却面に略平行な第１領域と、主回路基板と略同一平面となるように該第１領域から角度θだけ屈曲した第２領域からなり、主回路基板と第２領域とが、これらを貫通するボルトとナットにより固定される。【選択図】図１
2006166509.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却面を備えた水冷ブロックと、
該冷却面上に配置され、パワー半導体素子を含む封止樹脂と、該封止樹脂の第１側面から突出した主端子と、該第１側面に対して略平行な第２側面から突出した制御端子とを備えたパワーモジュールと、
該パワーモジュールを挟んで配置された１対の主回路基板と制御端子であって、該主端子に接続された主回路基板と該制御端子に接続された制御基板とを含み、
該主端子が、該冷却面に略平行な第１領域と、該主回路基板と略同一平面となるように該第１領域から角度θだけ屈曲した第２領域からなり、
該主回路基板と該第２領域とが、これらを貫通するボルトとナットにより固定されたことを特徴とするパワー半導体装置。
【請求項２】
上記主回路基板と上記制御基板とが、略平行に配置されたことを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体装置。
【請求項３】
上記主回路基板と上記制御基板との間に、上記水冷ブロックとこれに取り付けられた上記パワーモジュールとからなる、複数のサブモジュールが、階段状に積層されたことを特徴とする請求項２に記載のパワー半導体装置。
【請求項４】
上記制御基板が、上記冷却面に対して略垂直に配置されたことを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体装置。
【請求項５】
上記制御基板が、上記水冷ブロックの側面に固定されたことを特徴とする請求項４に記載のパワー半導体装置。
【請求項６】
上記水冷ブロックが、上記主回路基板に沿った傾斜面を有し、該傾斜面に設けられた凹部に上記ナットが収納されたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のパワー半導体装置。
【請求項７】
上記角度θが、略４０°以上で、略６０°以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のパワー半導体装置。
【請求項８】
上記角度θが、略５０°以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のパワー半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はパワー半導体装置に関し、特に、水冷ブロック一体型のパワー半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数のパワーモジュールを含むパワー半導体装置では、平坦な冷却板の上に複数のパワーモジュールを並置するとともに、各パワーモジュールに、制御基板、主回路基板を接続していた（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−１２８０９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、例えば１０個のパワーモジュールを使用する場合のようにパワーモジュールが多くなると、パワーモジュールが配置される冷却板の面積が大きくなるとともに、制御基板、主回路基板も大きくなり、パワー半導体装置が大型化するという問題があった。
【０００４】
また、制御基板、主回路基板が大きくなることは、それぞれの基板に設けられた配線の引回し距離の増大につながり、特に、主回路基板に形成された閉回路では、配線の引回し距離が大きくなると閉回路のインダクタンスが大きくなり、パワー半導体装置のスイッチング時に大きなサージ電圧が発生し、パワー半導体装置のスイッチング損失が増えたり、耐電圧の高いパワーチップを用いる必要が生じるという問題もあった。
【０００５】
特に、パワーモジュールの主端子と主回路基板とをボルトとナットで固定する場合、固定のための空間的なマージンが必要となり、主端子を長くする必要が生じ、インダクタンスが大きくなってサージ電圧が大きくなるという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は、パワーモジュールを含むパワー半導体装置において、サージ電圧が小さくかつ小型化が可能なパワー半導体装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、冷却面を備えた水冷ブロックと、冷却面上に配置され、パワー半導体素子を含む封止樹脂と、封止樹脂の第１側面から突出した主端子と、第１側面に対して略平行な第２側面から突出した制御端子とを備えたパワーモジュールと、パワーモジュールを挟んで配置された１対の主回路基板と制御端子であって、主端子に接続された主回路基板と制御端子に接続された制御基板とを含み、主端子が、冷却面に略平行な第１領域と、主回路基板と略同一平面となるように該第１領域から角度（曲げ角）θだけ屈曲した第２領域からなり、主回路基板と第２領域とが、これらを貫通するボルトとナットにより固定されたことを特徴とするパワー半導体装置である。
【発明の効果】
【０００８】
以上のように、本発明にかかるパワー半導体装置では、インダクタンスが小さくでき、サージ電圧が小さくかつ小型化が可能なパワー半導体装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に、図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、「上」、「下」、「左」、「右」およびこれらの用語を含む名称を適宜使用するが、これらの方向は図面を参照した発明の理解を容易にするために用いるものであり、実施形態を上下反転、あるいは任意の方向に回転した形態も、当然に本願発明の技術的範囲に含まれる。
【００１０】
実施の形態１．
図１は、全体が１００で表される、本発明の実施の形態１にかかるパワー半導体装置の概略図である。
パワー半導体装置１００は、水冷ブロック１０を含む。水冷ブロック１０は、例えばＰＰＳ（Polyphenylene Sulfide）、エポキシ樹脂、Ａｌ２Ｏ３等のセラミックからなる。水冷ブロック１０の冷却面１２には冷媒の流路１１が設けられている。冷却面１２の上には、パワーモジュール２０が配置され、水冷ブロック１０とパワーモジュール２０とがサブモジュール４０を構成している。
【００１１】
図２は、パワーモジュール２０の断面図である。パワーモジュール２０は、例えば銅からなる放熱板２１を含む。放熱板２１の上には、例えば半田２２によりパワー半導体素子２３が固定されている。パワー半導体素子２３は、例えば、ＩＧＢＴ、パワーＦＥＴ、ダイオード等からなる。更にパワーモジュール２０は、パワー半導体素子２３とアルミニウム等の金属ワイヤや金属リード２６で接続された主端子２４および制御端子２５を含む。主端子２４、制御端子２５は、例えば銅からなり、パワーモジュール２０の対向する側面にそれぞれ設けられている。パワー半導体素子２３等は、例えばエポキシ樹脂からなる封止樹脂２７により封止されている。
【００１２】
図３は、パワー半導体装置１００に用いられる他のパワーモジュール３０の断面図である。図３中、図２と同一符号は同一又は相当箇所を示す。パワーモジュール３０は、放熱板２１の裏面に、例えば厚み１００μｍの銅箔からなる保護膜２９で覆われた絶縁層２８が取り付けられている。
【００１３】
また、図４は、パワー半導体装置１００に用いられる他の水冷ブロック１５の断面図である（パワーモジュール２０を含む）。水冷ブロック１５には、冷却液の入口１６、出口１７が設けられており、パワーモジュール２０の裏面と水冷ブロック１５とで形成されるダクト部１７に接続されている。入口１６からダクト部１７を通って出口１８に冷却液を流すことにより、パワーモジュール２０からの熱を奪い、ラジエータ等の熱交換器（図示せず）に輸送する。
【００１４】
本実施の形態にかかるパワー半導体装置１００では、バスバー基板からなる主回路基板５０と、制御基板６０とが略平行に配置され、その間に複数のサブモジュール４０が階段状に配置されている。サブモジュール４０の水冷ブロック１０には、傾斜面１３が設けられ、傾斜面１３に沿って主端子２４が折り曲げられている。傾斜面１３には凹部１４が設けられ、ナット５２がはめ込まれている。主端子２４には孔部５３が設けられており、主回路基板５０と孔部５３とを貫通するボルト５１と、ナット５２により、主端子２４が主回路基板５０に固定される。なお、ボルト５１とナット５２は、水冷ブロック１０の流路１１と干渉しない位置に配置されている。
【００１５】
一方、制御端子２５は、制御基板６０に略垂直となるように折り曲げられ、制御基板６０を貫通した状態で固定されている。
【００１６】
一般に、パワー半導体装置では大電流をスイッチング動作させるが、このとき電気回路のインダクタンスが大きいと、スイッチングした時のサージ電圧が大きくなってしまう。サージ電圧が大きくなると、かかるサージ電圧によるパワー半導体素子の破壊が問題となるため、パワー半導体素子の耐電圧レベルを大きくする必要が生じる。この結果、パワー半導体素子のガードリングの幅を大きくしたり、チップの厚みを大きくしたりする必要が生じ、パワー半導体素子が大きくなってしまう。
【００１７】
また、サージ電圧が大きくなると、スイッチング時のスイッチング損失が大きくなり、パワー半導体装置の発熱量が大きくなるという問題がある。このような問題点を解決するために、パワー半導体装置の有するインダクタンスは、小さいほうが好ましい。
【００１８】
ここで、例えば、パワーモジュール２０の主端子２４（Ｐ端子およびＮ端子）から平滑コンデンサ（図示しない）までの距離が大きいとインダクタンスが大きくなる。主回路基板５０を構成するバスバーは、通常、平行平板と呼ばれる、絶縁層を挟んでＰの導波路とＮの導波路が対向配置された配線構造からなる。かかる配線構造では、配線の引き回し距離が大きくなってもインダクタンスはほとんど増大しない。
【００１９】
このため、平滑コンデンサに接続された回路のインダクタンスを小さくするためには、主回路基板５０のバスバーに接続されるパワーモジュールの主端子２４を短くすることが有効である。具体的には、パワーモジュール２０の封止樹脂２７から外部に露出した主端子２４の根元部分を、バスバーに近づけることが望ましい。
【００２０】
ここで、複数のサブモジュール４０を階段状にずらさずに、同一平面上に並べた場合、主端子２４を主回路基板５０に接続するには、主端子２４をサブモジュール４０の上面よりも高い位置まで延ばす必要があり、本実施の形態にかかるパワー半導体装置１００より主端子２４が長くなり、インダクタンスが増加する。
【００２１】
また、複数のサブモジュール４０を階段状にずらさずに、縦に重ねた場合、ナット部分とサブモジュール４０との間に干渉を避けるために、主端子２４を長くするか、又は水冷ブロックとパワー半導体装置を主端子２４と反対側にずらす必要が生じ、その結果、インダクタンスが増加する。
【００２２】
このように、本発明にかかるパワー半導体装置１００では、複数のサブモジュール４０を階段状に配置し、階段の傾斜方向と略平行に主端子を折り曲げるとともに、制御端子を階段の傾斜方向と垂直に曲げる構成とすることにより、インダクタンスが小さくかつ組み立てやすい、小型のパワー半導体装置が得られる。
【００２３】
また、サブモジュール４０を同一平面上に配置した場合よりも制御基板６０の面積も小さくできる。
【００２４】
図５は、主端子２４の曲げ角θが異なるサブモジュール４０の概略図である。図５中、図１、２と同一符号は同一又は相当箇所を示す。また、図６は、曲げ角θと、主端子２４のネジ孔からパワーチップ２３までの距離の関係である。
【００２５】
サブモジュール４０の主端子２４に主回路基板（図示せず）を、ボルト５１とナット５２で固定するためには、主端子２４を曲げて、主回路基板とサブモジュール４０とが接触しないようにする必要がある。また、パワー半導体装置のインダクタンスを小さくするためには、主回路基板と主端子２４との接続部、即ち主端子２４に設けられたネジ孔からパワー半導体装置２３までの距離を小さくする必要がある。
【００２６】
図５では、パワーモジュール２０の側面から突出した主端子２４を、封止樹脂２７の近傍で、曲げ角（主端子２４の突出方向に対する角度）θだけ下方に曲げている。主端子２４の曲げ位置は、ナット２４が取り付けられる領域を考慮して決定される。
曲げ角θが大きいほど、主回路基板が取り付け易くなる一方、ボルト５１やナット５２と、サブモジュール４０との間の距離が小さくなる。両者の間の距離は、所定の絶縁距離以上とすることが好ましい。
【００２７】
図５（ａ）に示すように、曲げ角θが大きい場合（例えばθ＝８０）、ナット５２やボルト５１の先端部はパワーモジュール２０の下部に回り込む。この結果、ボルト５１の先端部と水冷ブロック１０との間の絶縁距離ａ’を確保するためには、水冷ブロック１０を右の方向に移動させる必要がある。この結果、水冷ブロック１０に設けられた流路も右に移動し、パワー半導体素子２３の位置も流路の移動に伴って右に移動する。この結果、主端子２４に設けられたネジ孔からパワー半導体装置２３までの距離が大きくなる（図６のＡ参照）。
【００２８】
図５（ｂ）に示すように、曲げ角θが中程度の場合（例えばθ＝５０）、主回路基板も取り付け易くなるとともに、絶縁距離ｂ、ｂ’も確保できる。この結果、主端子２４に設けられたネジ孔からパワー半導体装置２３までの距離を小さくできる（図６のＢ参照）。
【００２９】
図５（ｃ）に示すように、曲げ角θが小さい場合（例えばθ＝１８）、絶縁距離は容易に確保できるが、主回路基板とパワーモジュール２０との接触を避けるために、主端子２４を一端上方に折り曲げた後に、曲げ角θを確保するために、再度折り曲げる必要がある。この結果、主端子２４に設けられたネジ孔からパワー半導体装置２３までの距離が大きくなる（図６のＣ参照）。
【００３０】
以上に説明したように、曲げ角θ＝８０の場合（図６のＡ）に比較して、曲げ角θ＝５０とした場合（図６のＢ）、主端子２４に設けられたネジ孔からパワー半導体装置２３までの距離が、約２０％短縮することができる。この結果、かかる配線に発生するインダクタンスを低減することが可能となる。実際には、曲げ角θは、４０°から６０°の範囲で用いることで、インダクタンスを低減できる。
【００３１】
なお、本実施の形態１では、複数のサブモジュール４０が、主回路基板５０と制御基板６０との間に階段状に配置された構造について説明したが、サブモジュール４０は１つであっても良い。
【００３２】
実施の形態２．
図７は、全体が２００で表される、本発明の実施の形態２にかかるパワー半導体装置の概略図である。図７中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
【００３３】
パワー半導体装置２００では、サブモジュール４０が１つだけであり、パワーモジュール２０の側面に対して垂直に制御端子２５が形成され、かかる制御端子２５に略直交するように制御基板６０が設けられている。制御基板６０は、水冷ブロック４０の側面に固定されても良い。
【００３４】
実施の形態３．
図８は、全体が３００で表される、本発明の実施の形態３にかかるパワー半導体装置の概略図である。図８中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
【００３５】
パワー半導体装置３００では、水冷ジャケット１０にナット５２を収納しない構造となっている。他の構造は、図１に示したパワー半導体装置１００と同様である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施の形態１にかかるパワー半導体装置の概略図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかるパワーモジュールの断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１にかかる他のパワーモジュールの別の断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１にかかるパワーモジュールと水冷ブロックの断面図である。
【図５】パワー半導体装置の概略図である。
【図６】パワー半導体装置の主端子の曲げ角度と、主回路基板とパワーモジュールとの間の距離との関係である。
【図７】本発明の実施の形態２にかかるパワー半導体装置の概略図である。
【図８】本発明の実施の形態３にかかるパワー半導体装置の概略図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０  水冷ブロック、１１  流路、１２  冷却面、１３  傾斜面、１４  凹部、２０  パワーモジュール、２４  主端子、２５  制御端子、４０  サブモジュール、５０  主回路基板、５１  ボルト、５２  ナット、５３  孔部、６０  制御基板、１００  パワー半導体装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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